机载显示系统中触摸屏的设计与研究

赵小珍

（长沙湘计海盾科技有限公司，湖南长沙 410000）

触摸屏作为最新的输入设备，是目前最简单、方便、自然而舒适的输入装置，具有反应速度快、节省空间、坚固耐用、易于交流等诸多优点。触摸屏由于存在这些优点，引起各国普遍重视，并投入大量的人力、物力和财力进行研发，因此不断出现了新型触摸屏。触摸屏呈现专业化、立体化、大屏幕化、高度集成化、高可靠性等趋势发展。作为最新的人机交互方式，触摸屏已经渗透到人们生活的方方面面，并且已经应用到机载显示系统中。在许多机载座舱显示系统中，比如，控制显示单元（CDU）是重要的信息输入设备[1]。为了提高这些设备的可用性和灵活性，可以增加多点触摸屏。这样做的优点有：1）在相同的显示区域，输入接口可重新配置，并且降低研发费用；2）结合多点触摸，可以进行高级绘图接口设计，提高人机交互效率。这样，绘图软件的应用也将越来越多。

触摸屏的种类比较多，按照工作原理的不同，触摸屏可以分为表面声波触摸屏、电阻触摸屏、电容触摸屏和红外触摸屏4 种[2]。表面声波触摸屏和红外触摸屏由框架或透明玻璃构成，光透过率高、清晰且不容易被损坏，但占用显示屏上的空间，使得外观不美观。表面声波触摸屏的表面如果有水滴、尘土，则会变得迟钝。红外触摸屏受外界光的影响，抗干扰能力较差。电阻触摸屏和电容触摸屏由多层复合的薄膜构成，不占用显示屏的空间，但是光透过率低。由此可见，目前市场存在诸多类型的触摸屏，但这些触摸屏具有各自的优缺点[3]。针对这些优缺点，文中主要对3 种类别的触摸屏，即电阻触摸屏、红外触摸屏、电容触摸屏，提出改进、改良设计措施或方法，最终能够满足机载显示环境要求。

1 触摸屏原理及分析

触摸屏的基本原理都是用手指或其他物体触摸安装在显示终端的触摸屏时，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口输出，从而确定输入信息。

触摸屏系统一般包括触摸屏控制器（驱动卡）和触摸检测装置两个部分。其中，触控屏控制器（驱动卡）的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位置，并传送给触控屏控制板[4]。

1.1 电阻触摸屏

电阻触摸屏是现今市场上最为常见的一种触摸屏，它是由多层复合薄膜组成的。电阻触摸屏基本构成包括导电基板玻璃（ITO Glass）、导电聚酯膜（ITO Film）、透明隔离物、粘接胶（Adhesive）等。导电基板玻璃与导电聚酯膜之间为透明绝缘颗粒，用于将两者的导电面隔离。

电阻触摸屏的工作原理：当电阻触摸屏的屏幕被触摸时，触摸点处的聚酯膜发生形变，上部导电层与玻璃基板的导电层接触，此处产生的电压为位置的模拟值，控制器将这些模拟量数字化并计算出该点坐标值，再送至CPU 处理[4]。电阻触摸屏工作原理如图1 所示。

图1 电阻触摸屏工作原理

1.2 红外触摸屏

红外触摸屏的基本原理是借助红外发射管、接收管之间的红外光线束在屏表面形成纵横交错的光线网和稳定的光电探测信号，当触摸物（如手指等）接近屏面时，部分特定光线束被遮挡使光电信号发生依赖于触摸位置的变化，从而由改变后的信号分布和特定的算法计算出遮挡物位置[5]。

红外触摸屏由红外发送LED、红外接收LED 组成，如图2 所示。

图2 红外触摸屏灯板构成示意图

红外触摸屏是在紧贴屏幕前密布X、Y方向上的红外线矩阵（如图3 所示），通过不停地扫描是否有红外线被物体阻挡检测并定位用户的触摸信息[6]。

图3 红外线矩阵示意图

红外触摸屏的光透过率高，工作信号较稳定，能够抵抗电流、电压和静电等的干扰，而且安装简单，成本低。但不足之处是，触摸屏暴露在太阳光下，会受到太阳光的干扰[7]。

1.3 电容触摸屏

电容式触摸屏经历了由早期的“外表面”电容式触摸屏，再到中期应用广泛的“内表面”电容式触摸屏，发展至今热议的投射电容触摸屏。

电容触摸屏是现在最受关注的一种触摸屏。它是在玻璃表面镀上一层或多层透明的特殊金属导电物质，形成X轴、Y轴电极矩阵。当手指触摸到金属层上时，手指与金属层形成的耦合电容引起电流微弱变化，通过扫描X轴、Y轴电极矩阵，检测触摸点电容量的变化，计算出手指所在位置，从而确定触摸位置。由于电容随温度、湿度、磁场变化大，故其稳定性较差，往往会产生漂移，一般不适宜在强磁场的环境下使用[8]。常规电容触摸屏结构如图4 所示。

图4 常规电容触摸屏结构图

了解到各种类型触摸屏的工作原理，为了满足军用特殊环境的应用要求，针对不同类型的触摸屏，必须对触摸屏进行改造、改良或改进设计，才能满足使用要求。

2 电阻触摸屏改进

2.1 问题分析

从前文对电阻触摸屏的原理分析可知，常规电阻触摸屏在特殊环境下存在触摸屏表面雾度大、镜面反射大、电磁兼容效果差、线性度差、表面抗刮性能弱等问题，极大地影响了电阻触摸屏在机载显示系统中应用。

2.2 电阻触摸屏的改进方法

为了提高电阻触摸屏的使用性能及可靠性，满足军用环境的要求，针对上述问题，为了降低反射率，在电阻触摸屏表面增加一层减反镀膜玻璃，并且在减反玻璃与聚酯膜之间帖覆一层偏振片，从而减小镜面反射率和雾度。为了提高屏蔽效能，在玻璃下表面镀涂一层低阻值的ITO，进而提高电磁屏蔽效能。为了提高表面抗刮性能、硬度及抗霉菌盐雾能力，在聚酯薄膜表面粘接一层减反玻璃，这使得其结构组成更为复杂。功能较齐全的改良电阻触摸屏组成如图5 所示。

图5 改良电阻触摸屏组成图

2.3 改进效果测试

对改造、改进后的电阻触摸屏进行测试，其主要技术参数数据如表1 所示。

表1 电阻触摸屏改进前后技术参数对比表（以10.4寸为例）

另外，将该电阻触摸屏安装在整机产品上，进行了EMC 测试和高温70 ℃的触摸力度测试。其中测试点分布如图9 所示，测试数据如表2、表3 所示。

表3 红外触摸屏改进前后技术参数对比表（以21.5寸为例）

图9 产品测试示意图

表2 EMC测试数据

由表3 的数据分析可知，在常温、高低温情况下，触摸屏的触摸力度略有不同，但是触摸屏的操作力度均在规定范围内，可以满足机载显示系统的要求。

改良后的电阻触摸屏解决了触摸屏表面雾度大、镜面反射大、电磁兼容效果差、线性度差、表面抗刮性能弱等问题，目前已经应用到某型号战机上，飞行员反映，该类型的电阻触摸屏功能基本正常，图像显示清晰、操作精确，可以与传统的按键导光板相媲美。

3 红外触摸屏改进

3.1 问题分析

红外触摸屏应用在机载显示系统中，不存在电磁屏蔽、减反等问题，但存在夜视兼容问题。衡量一个发光体是否满足夜视兼容性的两个主要指标是NVIS 的辐亮度（NR）和色度，其标准可参照GJB 1394-92《与夜视成像系统兼容的飞机内部照明》[9]。

3.2 红外触摸屏的改进方法

针对红外触摸屏存在夜视兼容的问题，目前至少有两种方法可以解决。方法一：通过加装滤色片、红外触摸扫描核心算法和降低微光夜视环境下发射灯的驱动电流，可以实现夜视兼容要求。方法二：开发长波长的发射管和接收管（如1 300 nm 以上），并设计与之相对应的控制电路、采集电路、逻辑运算电路等，从根本上解决红外触摸屏的夜视兼容问题。但方法二需要一定的时间和可靠性验证，不能立即投入工程化应用。

目前，文中采用方法一进行改进。改进后的红外触摸屏灯板示意图如图6 所示，实物对比图如图7所示。

图6 改进后红外触摸屏灯板示意图

图7 改进前后红外触摸屏实物对比

3.3 改进效果测试

下面对改造、改进后的红外触摸屏进行测试，其主要技术参数数据如表3 所示。

将改进后的红外触摸屏安装在整机产品中，白场测量的辐射亮度为2.09×10-9W/cm2·sr；其他颜色（红场）测量的辐射亮度为6.72×10-9W/cm2·sr，满足GJB1394-92 规定辐亮度要求。此外，在常温、高低温情况下，触摸屏各项性能均能满足规定要求，能够满足机载显示系统的使用要求。

改良后的红外触摸屏通过加装滤色片、红外触摸扫描核心算法和降低微光夜视环境下发射灯的驱动电流，在夜航飞行时，解决了夜视兼容问题，目前已装备在某型号歼击机上。通过飞行员试飞，可以完成正常模式的操作，尤其在夜航飞行时，基本满足夜视兼容要求。

4 电容触摸屏改进

4.1 问题分析

电容触摸屏存在电磁屏蔽、减反、可靠性差等问题。对于减反问题，同电阻触摸屏，通过镀ITO 膜就可以解决[10]。电磁屏蔽可以利用ITO膜解决，但是，会使得反射增大，如何降低反射是目前亟待解决的技术问题[11]。另外，在电磁环境中，电容触摸屏如何可靠地工作，也是必须关注的焦点。除了以上主要问题外，在应用电容触摸屏时，还需要关注以下几个方面的问题：1）如何解决环境光照射情况下，指纹残留增加的反射问题。2）在动态环境下（强烈振动和加速情况）触摸屏的操作精度问题。3）触摸屏人机工效设计问题[12-13]。

另外，在设计电容触摸屏时，还需要注意：1）设备机壳采用金属框设计，保持人体与大地相连通，有放电回路。2）电容触摸屏内部增加裸露GND 金属面积，利于释放多余电荷[14]。

4.2 电容触摸屏的改进方法

针对电容触摸屏存在电磁屏蔽、减反和可靠性的问题，通过在电容触摸屏前端镀ITO 膜解决反射问题，在触摸屏后端镀ITO 膜解决电磁屏蔽问题。

改造后的电容触摸屏结构如图8 所示。

图8 改造后的电容触摸屏结构

4.3 改进效果测试

下面对改造、改进后的电容触摸屏进行测试，其主要技术参数数据如表4 所示。

表4 电容触摸屏改进前后技术参数对比表（以21.5寸为例）

针对电容触摸屏的设计和研究，后续将此改进后的电容触摸屏安装在整机产品中，在常温、高低温情况下，测试触摸屏各项性能均能满足主机要求，最终达到整机装备的要求[14]。

改良后的电容触摸屏解决了电磁屏蔽、反射大的问题。针对可靠性问题，目前还未装备到机载显示设备中，只是做了相关测试和电磁环境试验。其中，光学参数中，反射指标可以满足机载环境的要求，电磁兼容已完成了空军标准的RS103、RE102、CS112、CS114、CS115、CS116 试验，后续还要完成国军标要求的其他项目以及±15 kV 静电放电试验，甚至更严苛军种的电磁兼容试验[16]。这样，完全通过试验后才能应用到机载显示系统中。

5 结论

综上所述，改良后的电阻触摸屏已经被广泛应用，触摸屏功能基本正常，图像显示清晰，操作精确；红外触摸屏可以正常操作，尤其在夜航飞行时，基本满足夜视兼容要求；对于电容触摸屏，光学参数、反射指标可以满足机载环境的要求。针对电容触摸屏设计和研究，后续会将改进后的电容触摸屏安装在整机产品中，考核其可靠性，使其满足整机系统要求。

随着触摸技术的演进，触摸屏的应用已经愈来愈广泛和多元化，从手持装置到家电产品，甚至应用到座舱显示，触摸技术几乎无所不在，触摸屏具有反应速度快、节省空间、坚固耐用、易于交互的特点，必然会将人机交互推向一个新的时代。此外，可以预见，触摸屏今后也必然会大规模应用在机载显示系统、手持显示设备以及便携显示产品中。